nRF401在汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/197094.htm在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中,輪胎故障是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)在高速公路上發(fā)生的交通事故中約有70%是由爆胎引起的。而保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵,因此對(duì)汽車(chē)輪胎壓力、溫度等參數(shù)的監(jiān)視是安全駕駛的重要保障。開(kāi)發(fā)和研究汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) TPMS(Tire Pressure Monitoring System)是確保行車(chē)安全的有效技術(shù)措施,也是當(dāng)前值得研究的重要課題。TPMS是目前最流行的汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng),它在汽車(chē)行駛狀態(tài)下可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的對(duì)輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)輪胎氣壓過(guò)低、過(guò)高、漏氣和溫度過(guò)高等異?,F(xiàn)象進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警,以減少事故的發(fā)生率,確保行車(chē)安全。從系統(tǒng)構(gòu)造而言,壓力、溫度等信息可以通過(guò)無(wú)線裝置進(jìn)行發(fā)送接收。
本文詳細(xì)介紹了基于藍(lán)牙芯片nRF401的汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中采用SPCE061A為上位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)輪胎的壓力和溫度信號(hào)的管理和輸出,配有菜單式操作的液晶顯示系統(tǒng)與語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示檢測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確的對(duì)輪胎內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行采集,并能在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)及時(shí)報(bào)警。
1 硬件設(shè)計(jì)
胎壓監(jiān)視系統(tǒng)主要包括兩部分:一部分安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi),由壓力溫度傳感器、信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成輪胎發(fā)射模塊,輪胎發(fā)射模塊的構(gòu)成如圖 1(a)所示,它的主要功能是通過(guò)處理加速度傳感器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喚醒功能,對(duì)輪胎的溫度與壓力信號(hào)進(jìn)行采集和處理并通過(guò)發(fā)射模塊將信號(hào)傳出;另外一部分為安裝在汽車(chē)駕駛室內(nèi)的中央監(jiān)視器,包括RF接收器、數(shù)字信號(hào)處理單元和報(bào)警顯示電路,中央監(jiān)視器主要完成的功能:實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自汽車(chē)輪胎的壓力和溫度信號(hào)的管理和輸出,并利用液晶配合語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)根據(jù)用戶需求給出當(dāng)時(shí)的狀態(tài),且不耽誤司機(jī)開(kāi)車(chē),同時(shí)檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度并顯示。系統(tǒng)圖如圖1(b)所示。
圖1 TPMS系統(tǒng)組成框圖
系統(tǒng)采用挪威Nordic公司推出的一體化無(wú)線收發(fā)芯片nRF401,工作在433MHz 國(guó)際通用的 ISM頻段,雙工作頻段可以自由切換,F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào),采用直接數(shù)字合成 DSS + 鎖相環(huán)穩(wěn)頻 PLL 進(jìn)行頻率合成,頻率穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng),接收靈敏度高達(dá)-105dBm,最大發(fā)射功率為+10dBm,功耗低,接收待機(jī)狀態(tài)時(shí),電流僅為8μA,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作為PLL頻率基準(zhǔn)源,而無(wú)需昂貴的變?nèi)荻O管;此外它的解調(diào)器是DC平衡的,輸入數(shù)據(jù)可以使各種011序列,無(wú)需進(jìn)行曼切斯特編碼,微控制器的 UART直接與nRF401的DIN、DOUT端連接,經(jīng)過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換后可直接與計(jì)算機(jī)的串口連;nRF401另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是接收機(jī)的頻帶阻抗很高,這意味著不需要外部聲面波濾波器,無(wú)需調(diào)試部件。
總體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2、3所示。由于采用了專(zhuān)用的傳感器,可以設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件電路。電源由鋰電池提供。在TPMS中由于從機(jī)無(wú)法將隨時(shí)檢測(cè)的壓力通過(guò)線纜傳到上位機(jī)中,故應(yīng)該采用無(wú)線傳輸。又因?yàn)槠?chē)輪胎工作環(huán)境比較惡劣,一般的無(wú)線傳輸模塊不能實(shí)現(xiàn)其功能,實(shí)踐證明無(wú)線收發(fā)芯片 nRF401通信系統(tǒng)在環(huán)境比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作可靠穩(wěn)定。
圖2 中央監(jiān)視器發(fā)射模塊硬件原理圖
圖3 輪胎檢測(cè)模塊硬件原理圖
在硬件電路設(shè)計(jì)中我們充分考慮到系統(tǒng)所接收到的數(shù)據(jù)存在的干擾問(wèn)題,對(duì)相關(guān)部分的設(shè)計(jì)都采取了一定的抗干擾方案。比如在發(fā)射模塊的PCB版圖的設(shè)計(jì)中充分考慮了高頻干擾,采用的凌陽(yáng)61板作為上位機(jī)的控制器則是利用了它本身具有濾波和消除干擾的優(yōu)勢(shì)。電源直接從車(chē)內(nèi)12V電源通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化后得到。
系統(tǒng)的無(wú)線通信部分結(jié)構(gòu)上采用的是主從結(jié)構(gòu),下位機(jī)由安裝在被測(cè)汽車(chē)中的監(jiān)測(cè)控制器組成,主站是設(shè)在控制中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī);不同的下位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信電路將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控計(jì)算機(jī)。同一時(shí)刻只能有1臺(tái)下位機(jī)工作,這里的通信實(shí)際上是共享介質(zhì)的,為避免多個(gè)下位機(jī)爭(zhēng)用信道而發(fā)生沖突,只有主站向某個(gè)下位機(jī)發(fā)送允許通信信號(hào),下位機(jī)才發(fā)送數(shù)據(jù)。通信模塊由nRF401和很少的外圍器件組成,采用PCB天線,nRF401的數(shù)據(jù)收發(fā)端直接與MCU的串行口相連,MCU用3個(gè)I / O口控制nRF401的狀態(tài),選用3V供電的低電壓MCU與nRF401共用同一個(gè)電源和同一個(gè)4MHz晶振。
2 軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線通信系統(tǒng)中,由于供電、空間噪聲及傳輸路徑等因素的影響,直接發(fā)送數(shù)據(jù)的話很容易受到干擾,因而需要設(shè)計(jì)一種傳輸協(xié)議,保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數(shù)據(jù)連接,系統(tǒng)的無(wú)線通訊協(xié)議主要工作在OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層,通過(guò)該協(xié)議進(jìn)行必要的檢錯(cuò)編碼。差錯(cuò)控制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_可靠。
下位機(jī)(以四個(gè)為例)均為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),而系統(tǒng)只有一個(gè)nRF401芯片在接收,而且采用的是在同一頻率下無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的工作模式,所以四個(gè)下位機(jī)不能同時(shí)發(fā)送壓力數(shù)據(jù),需采用應(yīng)答對(duì)話方式解決這種沖突,即每個(gè)下位機(jī)被分配一個(gè)口令,可以認(rèn)為是分配的地址,所有下位機(jī)平時(shí)處于接受數(shù)據(jù)的狀態(tài),等待上位機(jī)的請(qǐng)求。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送帶地址的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),下位機(jī)根據(jù)接收到的地址判斷是否做出應(yīng)答;上位機(jī)按順序發(fā)送各個(gè)下位機(jī)的地址后立即改為接收狀態(tài),延遲5秒鐘后沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)則轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài),并報(bào)錯(cuò)顯示哪個(gè)下位機(jī)出了問(wèn)題,繼續(xù)向下一個(gè)下位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求;下位機(jī)接收并判斷地址數(shù)據(jù),如果是自己的地址,即口令正確,立即變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài),發(fā)送采集到的最新數(shù)據(jù),發(fā)送后再變回接收狀態(tài),等待上位機(jī)發(fā)回?cái)?shù)據(jù),以確認(rèn)發(fā)送無(wú)誤(因?yàn)榄h(huán)境因素可能導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤);上位機(jī)接受到數(shù)據(jù)后保存,之后變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài),向這個(gè)下位機(jī)發(fā)送回剛剛接受的數(shù)據(jù),之后再接收等待,等待這個(gè)下位機(jī)的確認(rèn)信號(hào);下位機(jī)接收到傳回的數(shù)據(jù),跟剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)比較,如果一致,發(fā)送確認(rèn)信號(hào),如果不一致,繼續(xù)發(fā)送,并重復(fù)上兩步操作;上位機(jī)接受的如果是確認(rèn)信號(hào),那么把保存的數(shù)據(jù)送至處理程序,如果不是則重復(fù)發(fā)送地址請(qǐng)求。
下位機(jī)上電復(fù)位以后便開(kāi)始執(zhí)行以上的初始化程序,并進(jìn)入流程圖中的循環(huán),壓力和溫度采集是在定時(shí)中斷里完成的,中斷時(shí)間暫定每5秒鐘采集一次。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和抗干擾能力,當(dāng)下位機(jī)采集的電壓或溫度數(shù)據(jù)超過(guò)指定的范圍之后,下位機(jī)立即變成發(fā)送狀態(tài),發(fā)出特殊的報(bào)警信號(hào),而此時(shí)的上位機(jī)不管處于何種工作狀態(tài)一旦接收到報(bào)警信號(hào),立即中斷當(dāng)前通信,與這個(gè)下位機(jī)建立通信。
為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在軟件設(shè)計(jì)中系統(tǒng)還加入了軟件濾波環(huán)節(jié),在連續(xù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)最近5次的采集數(shù)據(jù),并求出它們的平均值,然后作為當(dāng)時(shí)的氣壓顯示出來(lái)。這樣就消除了由于某些數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確而出現(xiàn)的尖峰值,致使系統(tǒng)做出誤判斷。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文從硬件和軟件兩方面介紹了汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)中無(wú)線通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì),電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng);該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)輪胎內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行采集,并能在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)需在節(jié)能、穩(wěn)定性和安裝等方面有待提高。
本文作者的創(chuàng)新點(diǎn):在汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用多種抗干擾方法,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
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評(píng)論